月球上一天有多长
月球在环绕地球公转的同时，也在不停地作自西向东的自转运动。所以，月球上也有太阳东升西落的现象。不过，这跟地球上所看到的“日出”和“日落”的情景完全不同。
在月球上看太阳从东边升起后，要经过180多个小时后才能升至中天。从中天移至西边“地平线”落下，又需180多个小时。再经360多小时的黑夜，才算一个“昼夜”。确切地说，地球上的一昼夜是23小时56分04秒。月球上的“一昼夜”则长达27.23天！
当太阳出来后，由于月球的周围没有大气的遮隔，“白天”看到的太阳比地球上看到的太阳要明亮千百倍。月面的温度可达127℃，即使是在“白天”，在月面上，你依然能清楚地看到布满在漆黑天空中的点点繁星和因“地相”变化而残缺不全的地球！
太阳刚一落下，夜幕马上笼罩月球——漫漫的长夜开始了！“黑夜”长达两个星期左右，而且气温下降到—183℃。漆黑的夜空中，你可以看到一轮硕大无比的“明月”——反射着阳光的地球高挂天空，“发出耀眼的光芒”，亮度比咱们在地球上看到的月亮亮度大80倍！
在月亮上设置天文台，最理想不过了，因为没有大气和尘埃的干扰，无论白天黑夜都能清晰地观察星星，比地球上有利得多，比在人造卫星上也要优越得多。
有趣的10点10分35秒
不知你注意过没有，当你在钟表店选购钟表的时候，或是观赏橱窗里摆着的钟表样品的时候，你会发现所有停着的钟表都是在10点10分35秒上，你知道这是为什么吗？
原来，在这时间的时针、分钟、秒针的这三个表针的位置给人一种很协调的感觉，基本上把表面分成了三等份，使顾客能清楚地看到表的结构。另外，这个时间的时针、分针、秒针像一个欢呼胜利凯旋的人，跳跃着向你走来。“胜利”这个词在英文中的第一个字母是“V”，这三个针正是摆成了“V”形。由于钟表是在欧洲产生的，因此设计师和制造商们就把10点10分35秒作为显示时间的最佳时间。
一秒是怎么定出来的
秒，是人们日常生活中计量时间的最小单位，我们熟悉它就像熟悉千克和米一样，没有谁不用到它。可是多长时间算1秒？转瞬即逝的1秒又是怎样定出来的呢？这倒是一个有趣的问题。
也许有人会说，1秒不就是钟表“嘀嗒”一响的时间吗？不错，一般说来嘀嗒一响的时间是1秒。但是对于几个钟嘀嗒一响的时间是否都一样？就是同一个比较好的钟表，在冬季、夏季、早晨、晚上嘀嗒一响的时间是否也都一样？通过精密的测量知道，它们并不都一样。
实践证明了，几个钟的秒长不都二样。同一个钟的秒长也随时间而变化，那么，究竟以那个秒长为准呢？世界上没有一个共同的秒长，在时向上就不可能有共同的语言。
秒，能不能像米、千克一样，国际上统一制造一个“原器”，大家都用它来校准。
我们知道，人们所用的米、千克开始都是由铂铱合金制成的“国际原器”传递下来的，这些原器存放在专门的地方：四季温度不变，震动冲击减到最小……
时间呢？既看不见，又摸不着，也锁不住，那么时间原器在那里呢？
大自然为人类提供了生养休息的场所，也为人类提供了原始的时间基准。人们还是先从宏观世界着眼，研究地球的自转和公转来确定秒长。随着人类的认识深入到微观世界，发明了原子钟以后，才确实能像米、千克的国际原器一样，将标准的秒长保存在实验室里。
利用地球的自转确定秒长——世界时
阳光投射到地球上，地球又在不停地由西向东旋转着，这就是自然界给人们提供的“巨大的时钟”。和我们一般的钟表不同，这个巨大的时钟在走动的时候，“指针”不动，“表盘”在转动。指针就是地球的两极与太阳决定的一个平面，表盘就是地球本身，地球上的经线就是表盘的刻度。地球自转时，地球上的各点依次经过“指针”，这不就是一个大钟吗？
这个大钟每24小时转一圈，这就是我们最熟悉的时间单位“日”。
有了明确的日长，积累起来就可以算出月长和年长，等分以后就可以得到时、分、秒。于是，秒长就可以用这个大钟来确定了，它是日长的1/86400。现在世界上通用的“世界时”就是按着这种地球自转周期来定义的。
地球自转，太阳不动，根据相对运动的原理，在地球上看太阳，就好像太阳绕地球运动一样。天文工作者把太阳连续两次通过地球表面某一个定点的经线（子午线）所需要的时间定为一天，这就是“真太阳日”，真太阳日的1/86400就是真太阳日的秒长。
但是，地球的公转速度并不是均匀的。因为地球绕太阳运动的轨迹并不是一个圆，而足一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。另外，地球自转轴与地球公转轨道平面也不是垂直的。这使得地球在公转轨道的不同地点反映到太阳的位置变化速度不同。这样。真太阳日就有长有短，最长的是12月23日，最短的是9月16日。真太阳日的长短相差最大达51秒。考虑到这种情况，用真太阳日来确定秒长就显得不够准确了。于是，人们采用真太阳日的平均长度——“平太阳日”来确定秒长。由这样的平太阳日定出的时间基准，我们管它叫零类世界时，记作UT0。
同样，平太阳日的1/86400分之一就是平太阳日的秒，即零类世界时的秒长，UT0的秒长。
为此，1886年在法国巴黎召开了一次国际学术会议，接受了美国天文学家纽康的研究成果，得出了“平太阳日”的严格定义，从而引出了世界时的概念。
随着科学技术的发展，人们又认识到，不仅地球公转速度不均匀，而且地球“自转轴”的位置也在变化。使得两极（南极和北极）在地球表面上的位置亦在变化，通常我们管这种现象叫做“极位变化”或“极移”。
极位变化我们能较准地测定出来。比较好的方法是在纬度相同、经度不同的各点设置许多观测站，分析这些观测点提供的测量数据，就可以求得极位变化情况，极位变化的范围约在20平方米的区域内。
变化这么一点就会影响计时精度吗？
会的，因为世界各地经纬度是以极点为原点定出来的，由于极点的移动，必然会使地球各地的经纬度发生变化，相应的时间也会发生变化。由于这种影响在世界各地是不一样的，所以反映在零类世界时UT0的时间基准的秒长，在世界各地也是不一样的。
使UT0的秒长在世界各地不同的原因还有：北极并不是永远指北。地球由于受月球的吸引而产生“进动”（地球也受太阳吸引而产生进动，因太阳离我们太远，产生的进动很小），地球进动的结果，使地轴指向天空的方向不再是一点，而是一个圆。这个圆回转一周的时间是25800年！现在地轴北极指向北极星附近，在12000年以后将指向北半球天空最亮的恒星——织女星附近，那时织女星就成了北极星了。
为了消除极位变化的影响，我们采用一个平均值，称为“平北极”。以平北极为原点定出的世界时，我们称为第一世界时，记为UT1。
UT1=UT0+λ。
这里的允是对UT0的修正量。对UT0修正以后得到的UT1在世界各地则是相同的。这样，UT1的秒定义有了更为普遍的意义，便于应用了。
经过上述对极位变化的修正，UT1的秒长还是不够均匀的。事实证明各种季节性变化仍然对它产生影响。如季风的影响、植物的生长、雷电的分布等随季节而变化的各种因素，都会造成地球自转的季节性变化。
有人计算过季节风。每年夏季从海洋上吹到陆地上，冬季又从大陆移回到海洋，这些风的重量大得难以相信，竟有枷万亿吨！这么大的重量，从一处移到另一处，过一阵又从另一处移回来，地球的重心变化了，结果地球自转速度也就随之而变化了。这种变化是由季节变化的影响而产生的。
修正了季节性变化的UT1，称为第二世界时，记为UT2。也可以说，在第一世界时UT1，上加上修正量，就是第二世界时，即：UT2=UT1+Ts=UT0+λ+Ts。
第二世界时UT2部分改善了自转速度的不均匀，使秒长的均匀性有了改善。但由于地球的自转还有不规则变化和长期变化，所以UT2这个时间基准还是不够理想的。
地球自转的不规则变化，表现在每过几十年地球自转速度会来一次“跳动”，有几年转得快一些，有几年转得慢一些。
地球自转的长期变化表现在最近2000年来，每过100年，使日长增加1.6毫秒，即地球自转有变慢的趋势。
地球自转变慢的原因，有人认为是由潮汐摩擦力引起的，还有人认为与地球两极的自然条件变化有关。近年来已发现地球平均温度有上升的趋势，这样，两极地区巨大的冰川慢慢地融化了，两极的冰块在减少，地球赤道附近的洋面水位上升，地球要保持原来的转速，就要求增加转动力矩。而地球自转的转动力矩，是由太阳、地球、月亮按着它们自己的规律形成的，相对来说是不变的。只有使地球自转速度变慢才能达到力的平衡。当然这样的变化是很微小的，没有精确的仪器是测不出来的。
由此可见，世界时的3种形式：UT0、UT1、UT2都受地球自转中存在的不可预计的和长期变化的影响。
由于上述种种原因，按地球自转制定的世界时的秒长仍有较大的误差，有时可达10的—7次方量级，相当于每3个半月差1秒。在现代科学技术发展的情况下，这么大的误差是不允许的。另外，在地球自转的基础上修正来修正去，总是不够理想，于是人们又去寻找定义秒长的新方法。
利用地球的公转确定秒长——历书时
大家知道，地球除了自转以外，还有公转。地球绕太阳公转一周的时间就是一年，地球绕太阳公转，也可以想象为一个巨大的时钟。太阳与地球的连线相当于指针，就像一种秒针上带有“小卫星”的闹钟一样。不过“小卫星”转1周的时间是印秒，地球绕太阳转1周的时间却是1年。
诚然，地球公转的速度并非恒定不变，但是地球的公转周期却相当稳定。把地球公转周期的若干分之一定为1秒，这样的秒长也是相当均匀的。
1952年制定了以地球绕太阳的公转周期为基准的计时系统，称为“历书时”，记为ET。
为了把历书时用于实际，在给历书时ET定义时，要考虑ET与UT的衔接，应用时才不致于产生混乱和不必要的麻烦，做法是这样的：
（1）使世界时向历书时过渡时不要产生时刻的中断。
（2）使历书时的秒长与世界时的秒长尽量一致。
根据上面的原则，1960年在采用历书时的时候规定：
历书时的起始时刻是世界时1900年1月1日0时正，在时刻上严格与世界时衔接起来。
历书时的秒即是上述1990年1月1日0时正开始的回归年长度的1/31556925。9747。
由于回归年长度不受地球自转速度的影响，所以历书时的秒长是均匀的。
由于技术上的原因，一般通过观测月亮来测定历书时。在1960~1967年，曾用改良的布朗月历表得到的历书时称为ET0。1968~1971年，使用新的天文常数系统，并对布朗级数的一项错误进行修正后测定的历书时称为ET1。而从1972年至今，研究了布朗级数的新展开式，得到的历书时称为ET2。
历书时在理论上是一种均匀时，但不太容易得到。连续几年的天文观测，才能得到±1×10的—9次方的精度。
事物总是一分为二的，历书时的秒与世界时的秒比较起来，精度是提高了不少。对于±1×10的—9次方的精度而言，经过30年的积累才会产生±1秒的误差。但这个精度也不能满足现代科学发展的需要，同时，历书时需要长时间的天文观测，这使得人们又去寻找和定义新的时间基准了。
尽管如此，历书时仍作为一个天文常数保存下来，在大地测量和天文学的研究上，仍然有重要的参考价值。
原子时
1967年第十三届世界度量衡会议上，决定采用原子时，记为AT。
原子时的秒长就是用原子跃迁频率的周期来确定的。
现代原子时的秒长是这样定义的：
铯133原子在基态的两个超精细能级结构间零场跃迁时，幅射频率的9192631770个周期的时间间隔为1秒。
人们习惯于使用世界时，为了不给使用造成麻烦，必须使原子时与世界时很好地衔接起来。
选取1958年1月1日UT2的0时为原子时的时刻起点，即要求满足：
（AT—UT2）1958·0=0。
因为技术上的原因，在实现这个规定时只得到了：
（AT—UT2）1958·0=0.0039秒。
此值做为一个历史常数被保存下来，应用时扣除这微小的修正量就行了。
原子时的秒长是靠我们前面所讨论过的原子钟来复现的，与地球、太阳相比，原子钟的体积小得多了，可以很好地将它保存在实验室里。我们已经知道原子钟的原理，它很少受外界条件的影响，是更为客观更为恒定的时间基准。保存在原子钟里的原子时的秒长容易测定和应用，不需要进行长时间的天文观测。而它酌稳定度和准确度却十分高，一般可达±1×10的—12次方或更高，正像前面我们已经讲过的那样，相当于30万年差1秒。
协调世界时、闰秒
世界时、历书时、原子时3种计时系统都是通过寻找一个均匀运动周期来定义秒长，由于地球的自转和公转的周期都很长，所以世界时和历书时的秒长是通过对长周期的等分而得到的。而原子跃迁频率的周期很短，所以原子时的秒长是通过对短周期的倍乘而得到的。
另外，我们已经知道UT是以地球自转周期来定义的，而地球自转的速度是不均匀的，所以，严格地说，UT不是“均匀时”。在3种世界时UT0、UT1、UT2中，UT2虽然经过了3次修正，比较均匀，但也只能称为“准均匀时”，因为还有地球自转的长期变化和随机跳动无法修正。地球绕太阳公转的周期是均匀的，原子跃迁频率的周期也是均匀的，所以历书时和原子时都可以称为均匀时。
也许有人会问，既然原子时的秒长最精确，那么，世界时和历书时就可以不要了。
其实不是这样。世界时UT和历书时ET还不能废除，因为它们各有各的用处。这3种计时系统之间有区别又有联系，它们之间可以相互换算，但不能互相取代。在某种意义上讲，它们互相补充了对方的不足。
世界时UT与人们的生活联系最密切，若把UT取消了，人们的生活将感到很不方便，在航海、航空上也都离不开UT。正因如此，原子时的时间起点也必须和世界时严格对准。
这3种计时系统如何应用，还要看使用场合。在要求不高时，用世界时UT就可以了。在要求比较高时，就用原子时。历书时一般只在天文、大地测量等场合使用。当然原子时是当代最精确的计时系统。
问题是使用了统一的原子时的秒长以后产生了新的矛盾，因为原子时的秒长与世界时的秒长并不完全相等。时间一长，原子时就偏离了世界时，如从1958年开始建立原子时算起，到1971年年底止的一段时间里，世界时落后于原子时将近10秒，而且差异越来越大，这对使用部门来说意见很大。协商的结果，就产生了“协调世界时”，记为UTC。
协调世界时不是一种独立的计时系统，而是一种服务方法。3种计时系统UT、ET、灯分别保留了各自的定义，在它们之间进行换算或在应用中产生矛盾时，人为地采用一种跳秒的方法来“协调”，以利于应用，这就是“协调世界时”的实质。
一般来说，我们使协调世界时的秒长，忠实地反映原子时的秒长，规定在UTC—UT＞0.9秒（1974年以前是0.7秒）时，做1秒的整数跳动，称为闰秒。闰秒由国际时间局（BIH）通知，一般在每年的元旦进行。如仍不够，则在7月1日再闰一次。
这种协调世界时从1972年1月1日开始实行。1971年12月31日做了—0.107758秒的特殊跳秒，这样到1972年1月1日时，AT与UTC整差10秒，也作为一个历史常数保存下来。
协调世界时，可以这样来理解：时刻用世界时的，方便使用。时间间隔（即秒长）采用原子时的，提高精度。这样做协调时就要偏离世界时，再采用闰秒的方法来修正。
当然，闰秒这种办法也不是没有缺点的，有时，闰秒会搅乱计时系统的连续工作，所以要求取消闰秒的呼声正在增长。
就是为了确定这短短的1秒钟，人们不知道花费了多少辛勤的劳动，开了多少次国际性专业会议，并建立专门的国际机构来研究它。比如在1954年第十届国际度量衡会议上，专门成立了“秒定义咨询委员会”……经过人们长期的努力，使秒的定义逐步完善起来。虽然如此，直到现在为止，关于秒的定义问题仍有许多理论和技术上的问题有待进一步解决。
协调时间的国际组织
为了有效地协调时间工作，国际上先后成立了一些专门组织和机构，它们按照各自的需要、能力、官方要求和传统习惯，分别关心时间领域中不同方面的问题，从而形成了一个复杂的系统。在这里，我们不可能详尽说明它们的活动情况，只能就它们的主要任务作一简要介绍。
协调时间（包括频率）服务工作的国际组织，通常分为政府间组织和非政府间组织两大类。前者一般都得到各国政府的某种形式的官方支持，而对于后者，这种支持则是很间接的。
政府间的组织有：
（1）国际计量大会（CGPM）
这是有政府代表参加的国际会议。国际米制公约就是由它签署和修订的。
（2）国际计量委员会（CIPM）
它是国际计量大会闭会期间的行政机构。
（3）国际计量局（BIPM）
国际计量大会和国际计量委员会的执行机构及实验室。
（4）秒定义咨询委员会（CCDS）
创建于1956年，由国际计量委员会提名的科学家组成。
（5）国际电信联盟（ITU）
由各成员国主管部门的官员和电信专家组成。
（6）国际无线电咨询委员会（CCIR）
国际电信联盟中负责处理无线电通信业务的咨询机构。它的第七研究组负责处理标准时间和频率发播业务。目前无线电授时中的许多规程都是由它制订的。
非政府间的组织主要有：
（1）国际科学联盟（ICSU）
它相当于国际上各学术团体之间的总协调局。
（2）国际天文学会（IAU）
在1919年成立初期主要处理时间方面的协调问题。目前则通过它的第31委员会在时间方面发挥作用。
（3）国际无线电科学协会（URSI）
负责处理无线电科学中的各种问题。它的A组（电磁学计量组）中包含时间计量。
（4）国际时间局（BIH）
它是国际原子时（TA）、协调世界时（UTC）和世界时（UT1）等时间标准的负责机构，也是目前国际上在时间工作中仅有的一个常设机构。
寻找不变的秒长
前面说过，平太阳时是不均匀的，它的秒长可伸可缩，是一种“橡皮秒”。诚然，这种伸缩程度很小，甚至在我们的日常生活中难以觉察出来，但是，它对于某些精密科学测量来说，是绝对不能允许的。于是，人们不得不继续探索，以便寻找一种不变的秒长标准。
在本世纪初期，原子物理学和量子力学都处于发展的初始阶段，人们对于微观世界的认识水平还很肤浅。天文学家仍然在宏观世界寻找更好的时间计量标准。
天文学家由长期的天文观测发现，虽然地球公转速度在一年中的不同季节是变化的，但它公转一周的时间却相当稳定，他们推想，如果把地球公转周期的若干分之一定为一秒，这样的秒长或许会相当均匀。
但是，要得到这样的时间，必须精确地掌握地球公转运动规律。就是说，必须精确地测量太阳的周年视运动情况。
早在19世纪末，纽康就根据地球绕太阳的公转运动编制了一份太阳历表。在这份历表中，纽康按天体力学定律，采用所谓“牛顿时间”（即理想均匀的时间），计算并列出了太阳的位置。在这种理想的时间系统中，每给定一个时刻，就能由表查出太阳的一个相应位置。
既然如此，那么能不能把问题反过来，由观测到的太阳位置反推出这一位置所对应的均匀时间呢？
至少在理论上说，这样做是可能的。国际天文学会经过论证之后，于1956年决定以纽康太阳历表为基础定义了一种理想的时间尺度，这就是学术界所说的“历书时”。它的秒长等于1960年1月1日0时正回归年长度的1/31556925.9747。国际上还规定，从1960年开始，由历书时取代平太阳时作为基本的时间计量标准。
这样，我们就在理论上有了一个均匀不变的秒长单位。但实际上要得到这样的秒长是相当困难的，因为观测太阳比较困难，人们只能通过观测月亮等其他天体来测定历书时。
月亮是一个视圆面比较大的天体，边缘又不十分整齐，用现代子午环、中星仪和月亮照相仪等天文仪器，经过几年观测，所得历书时的精度，只能达到10的—9次方量级。比平太，阳时精度只高不到十倍，仍然不能满足现代科学技术对于时间精度的要求。
把原子套在时钟上
至此，我们大体按照事物发展的本来顺序，介绍了人类从宏观世界物质运动规律开始，认识和测量时间的发展历史。我们看到，人类在长期“日出而作，日人而息”的过程中，逐步产生了“日”的概念。又从月亮缺而复圆中认识了较长的时间单位——月。当人类知道太阳是一颗恒星以后，地球运动周期便成了计量时间的科学标准。在这漫长的岁月里，人类曾发明了日规、滴漏和各式各样巧夺天工的的钟来测定较短的时间间隔。随着物理学的发展，人们学会把单摆吊在时钟上，做出了摆钟，提高了计时精度。此后，又用石英晶体振荡牵引时钟钟面，做出了石英钟，使计时精度又有很大提高。这些时钟所测定的时间都以天体宏观运动周期为标准，而天体运动周期又是由天文观测测定的。因此，长期以来，人们习惯于把时间工作同天文学联系在一起，原因就在这里。
在现代科学技术条件下，人类对于宏观世界的认识已经远远超过人们的视界范围，扩展到更加遥远的恒星、星系、星系团、类星体……达到100亿光年以上的天区。诚然，这是一个了不起的进步，但是，我们不能不看到，人类目前对于各种天体运动规律的认识，还远远没有达到尽善尽美的程度，即使对于人类自己生活起居的地球，也还没有完全搞清它的运动规律。
在这样的情况下，通过天文观测测定时间就遇到两个方面的困难。
首先是理论上的困难，即尚未搞清时间测量赖以为基础的天体运动规律。其次是技术上的困难，天体的光线经过地球大气到达观测仪器，大气对星光的折射大大限制了地面观测精度。目前，在地面上利用光学望远镜观测恒星测定世界时，其精度只能达到千分之几秒的水平。
当宏观时间标准（天体运动）不能适应科学发展需要的时候，人类的认识又向着另一个方面——微观世界发展，开始了认识和测量时间的又一个新进程。
我们知道，在宏观世界里找不到完全相同的个体。全世界有40几亿人口，那就是40几亿个模样，即使是孪生兄弟，看起来相似，但仔细观察，总可以找出差异。同一厂家，用同一类元器件生产的某种电气产品，外观上可以一模一样，质量却会各有优劣。
但是在微观世界里，情况却恰恰相反，有许多东西是完全相同的。你不可能把一个电子同另一个电子区别开来，也不可能找出同一种元素的原子之间有什么不同。这不是因为测量仪器粗疏，而是它们的确完全相同，原则上无法把它们区别开采。
人们已经认识了微观世界里的分子、原子、原子核、基本粒子……它们小到10的—13次方厘米，我们用肉眼是无论如何也看不到它们的。
原子虽然很小，但它内部却是一个复杂的世界。每个原子都有一个原子核，核外分层排布着高速运转的电子。当原子（或分子）受到X射线或其他电磁辐射时，它的轨道电子可以从一个位置跳到另一个位置（物理学上称此为“跃迁”），还可以改变方向，或者像弹簧拉着的小球那样不住地跳动。跃迁时，原子将吸收或释放出一定能量的电磁波。这类电磁波在本质上同单摆一样，也是一种周期运动，只是它振动的周期更短（每秒钟竟能达几十亿次）、更精确、更稳定罢了。
既然如此，我们能不能像制造摆钟那样，把原子套到时钟上，利用它的振荡做出原子钟呢？
这是20世纪初期物理学家们热烈讨论的课题。1927年，伟大的生物学家、进化论发现者达尔文的后代G·达尔文第一个从理论上探讨了这个问题，接着，美国物理学家弗浦斯和佛里奇等人进行了试验。1936年，哥伦比亚大学的拉比教授根据这些实验提出了获得原子跃迁振荡频率的基本理论和方法，初步显示出利用原子振荡频率控制时钟的可能性。遗憾的是，这些实验和研究由于第二次世界大战的影响中断了数年。
二次大战后，有关的实验和研究工作迅速恢复和发展。1949年，美国国家标准局首先利用氨分子跃迁做出了氨分子钟。5年以后，英国皇家物理实验室终于把铯原子套到了时钟上，做成世界上第一架铯原子钟。此后，其他类型的原子钟相继问世，其中主要有氢原子钟和铷原子钟。由原子钟给出的时间叫原子时，专业书上记为AT，它是英文名称Atomic Time的缩写。
新的挑战
宇宙是无穷无尽的，人们对于它的认识不会停留在一个水平上。同其他任何一个学科领域一样，时间计量科学也随科学技术的进步而不断地向前发展着。
事实上，在原子钟取得定义时间的统治地位以后，时间工作者并未因此而满足、止步。他们在进一步改善现有原子钟各项性能指标的同时，又积极探索新的计时标准，开始了新的“长征”。
根据当前实验室工作和理论分析提出的新原理、新方法主要有：利用铊元素研制铊原子钟，利用镁或钙的亚毫米束研制镁或钙原子钟，利用离子的特殊结构研制“离子钟”，利用激光频率标准研制“光子钟”。
在这些新探索中，光子钟具有很大潜力，它正向铯原子钟提出挑战。
我们知道，光本身也是一种电磁波。它的频率比无线电波段的频率要高得多。按照理论分析，激光频率的稳定度要比铯标准高3个数量级，用它做成光子钟，时间计量精度又可以在目前的水平上再提高1000倍。这又将是一次重大的变革。
当然，实现这场变革的困难是很多的。但是，科学家从来不惧怕科学实验中的困难，他们也从来不会绕开困难走。“科学有险阻，苦战能过关。”目前，他们正在埋头苦干，实验室的试验已经取得了初步成果，变革的曙光已经露出地平线。
实现这场变革以后会产生一些什么结果，它将给计量科学带来怎样的影响？在光子钟做成之前，我们还难以作出详尽的具体的描述，但是，我们可以从理论上推测它可能提出的新问题。
我们知道，时间、长度和质量是三个基本物理量，其他物理量，例如速度、温度、照度、电压、功率等，都可以通过这3个基本量导出。比如速度，它就是由长度和时间导出的：
速度=距离时间。
如果激光时间标准取得成功，它首先会动摇长度标准——米的定义。
米是世界各国使用比较广泛，而且也是比较先进的计量长度的单位。1米的长度是指法国巴黎所在经圈上一个象限（90°）的子午线长度的1000万分之一。最初，人们用高硬度和抗氧化的铂铱合金做成所谓“米原器”来保持米的标准长度。这种合金的膨胀系数虽然很小（约为8.75×10的—6次方/℃），但不能保证其长度不随时间而变化。从1960年起，国际上决定用氪（Kr86）的一条发射线波长AL来定义米，即1米=1650763.73λk。
就是说，用波长的倍数来表示米的长度。用这种方法确定米长，精度约为10的—8次方量级，即两次测量之间的误差约为0.01微米。
但是，频率测量的精度目前已经提高到10的—13次方以上。这里就提出一个亟待解决的问题：波长和频率通过光速相互，联系着，光速c等于波长与频率f的乘积，c=f，这样，光速的精度就受到波长标准的限制。因此，近年来国际上正在酝酿要不要重新定义光速。如果重新定义光速，那么米就伞不再是独立的计量单位，它将通过光速与秒定义统一起来。这样，三大基本量就会变成为“两大基本量”。
另外，其他一些导出单位也可能随之取决于时间。例如电压测量就可能是这样。
目前，电气工程师用“标准电池”测量电压，精度在10的—5次方~10的—6次方量级。但是我们知道，交流电的频率f与电压V的关系是：
f=2eV/h。
这里e代表电子的电荷，h是一个常数，叫普朗克常数。选取适当的比值e/h，就可以把电压测量转化为频率测量，即转化为时间的测量，因为时间和频率互为倒数。
激光时间标准所具有的巨大潜力已引起世界各国的普遍重视，包括我国在内的许多国家的研究工作正在取得进展，时间计量史上的又一个里程碑已经开始破土奠基。我们热切期待着我国时间工作者为它早日揭幕做出较大的贡献。
百万分之一秒的用途
在现代社会的日常生活中，时间精确到秒已经足够了。我们从未发现有哪个民航机场会把班机起飞时间定在几时几分几秒点几几，也没看到有哪个学校会把学生上课、下学的时间作类似规定。即使是最新式的现代电子手表，它给出的时间也只到秒为止。那么，科学家们为什么要把时间测得那样准，要精确到万分之一秒、百万分之一秒，甚至亿分之一秒呢？难道他们真的是一些嗜奇的怪人？
完全不是！
科学家最讲究效益。如果生产实践和科学研究没有需要，他们绝对不会去耗费自己的精力，浪费光阴和社会财富。
一般说来，人的时间反应大约为十分之几秒，从反应时间到开始执行某种动作，大约要隔几秒钟。因此在日常生活中，人们对小于秒的时间，要求并不迫切。
但是，在生产活动和科学研究中，情况则完全不同。
最简单的例于是百米赛跑。在现代运动水平上，有时准确到十分之一秒还难决雌雄，必须准确到百分之一秒才能选出优胜者。
另一个例子是对于雷电的研究。雷电是大家熟悉的一种自然现象。在炎热的夏天，突然狂风大作，乌云翻滚，雷雨交加。撕破长空的闪电，震耳欲聋的雷声，往往摧毁房屋、桥梁，毁坏森林、堤坝，甚至带来人身伤亡事故。在过去，有些人常常把这种自然现象说成是雷公显灵、惩罚人间。后来，美国科学家富兰克林在一次雷雨中放出一个风筝，从云层中引出电火花，才打破了关于雷电的迷信传说。但是，在富兰克林之后的差不多两个世纪里，没有一个人真正知道闪电划过天空时究竟发生了一些什么事情。其原因就在于时间测量精度不高，人们难以分辨雷电发生的过程。现在我们知道，每次雷电都有一个“主雷区”，它发出沉闷的先导雷声，然后在云层中分叉、放电，划出闪光传向地面，每一过程所经历的时间都不到万分之一秒。如果时间测量精确不到万分之一秒，人们就很难研究雷电的全过程，也不可能找到今天这样避免雷击的方法。
再如研究爆炸过程。开山劈路要炸药，保卫国家独立、安全要拥有各种武器，其中常规武器也要用炸药。炸药的爆炸过程很快，甘油炸药或黄色炸药（TNT），其爆炸发生在百万分之一秒（微秒）的短时间里。现代鱼雷用一种高速炸药引爆，从引爆到爆炸只要20多个微秒。化学家和国防技术人员要试验和记录各种物质的爆炸速度，没有精确到百万分之一秒的时间测量，他们不仅不能找到有效的爆炸物质，而且有时连他们的生命也难以保全。
至于宇宙航行，它对时间的要求就更高。飞船或卫星的发射、人轨、制导、重返大气层、安全回收或着陆，每一过程都需要有精密的时间测量。从发射场、飞行控制中心，到回收监视区域，都需要有专门控制时间的系统——时间统一服务系统——给各个部位提供高精度的时间信号，以保证发射成功。据说，美国发射的第二艘载人飞行的“水星”号飞船，在返回地面前，由于飞船姿态控制系统出了毛病，宇航员改用手动控制，这样使制动火箭的点火时间稍晚了一些，结果飞船就离开正常轨道20几度，偏离预定着陆点近枷千米，险些酿成危险。
比这更短的时间测量，发生在神奇的核物理学领域。物理学家发现，亚原子（比原子更小）微粒的运动速度接近光速，其寿命特别短，只有几亿分一秒。有位德国科学家说他发现了第109号新元素。这种新元素（尚未命名）的寿命只有亿分之一秒。可以设想，如果没有高精度的原子钟，人们便难以研究物质的微观变化特性，也不会有新元素的发现。
科学家们还预言，某些介子的寿命比这还短，大约只有0.14×10的—25次方秒。这大概是人类近期内将要遇到的最短的时间测量。
准确时间的传递
我们已经能够通过天文观测获得准确的时间了，并把它保存在原子钟里。但这还不够，还必须能够把准确的时间尽可能在保持原有精度的情况下送给用户。
时间服务系统的工作人员服务态度是相当好的，他们总是想方设法把时间信号准确地传送到各个用户。这一过程叫作准确时间的传递，或者称为“授时”、“报时”。而用户对于天文台来说就是“对时”或“时间同步”。
声音报时
从古到今，传递时间信号的方法多种多样。起初，时间信号的传递总是用机械的、声的和光的方法来完成。例如，古代曾用击鼓和鸣炮来报时。有的钟在整点时就打点，是几点便敲几下，人们一听就知道是几点钟了。现在北京火车站的钟，在整点时奏出优美动听的东方红乐曲，这也是用声音报时延用到现在的一个例子。
落球报时
落球——另一种报时的方法。1884年，徐家汇天文台在上海外滩建立了一个落球报时讯号站，停泊在水中的船只，很注意讯号站的一个特制的竿子。每到中午12点，这个竿子上的球就落下来了，表示当时的时间是中午12点。这就是所谓“落球报时”。这个讯号站在晚上还用灯光报时，停泊的船只看见灯光的闪烁，就知道已经是晚上9点钟了。
这些机械的、声音的和光的报时方法，精度都比较低。最高的报时精度是0.1秒。所以它们只能应用于一些精度要求不高的场合，而且使用面也很小，不超过人的听觉和视觉范围。
飞机对时
还有一种方法是用飞机将时间频率标准带到需要的地方去。比如，将校对好的原子钟装上飞机，飞到需要校准时间的地方的上空，用无线电通知用户并进行对时。这种方法通常叫“搬运钟”法，或称“飞机过顶”。
其实飞机过顶对时和我们平时对表差不多，只不过是对时精度很高，可达±1×10的—6次方秒以上。这是微秒级时间同步的主要方法之一，这种方法所用的仪器少，精度较高，对时所用的时间也短。但比较麻烦，需要长途的飞机运输。
远距离定位法
比较方便的方法是采用“罗兰—C系统”授时。罗兰—C是一个翻译名词，它的原意是“远距离定位”。罗兰—C系统本来是“远程精密导航系统”，为飞机、船舶、舰艇提供精确的导航，在超过1800千米的距离上，罗兰—C系统能为用户提供50米左右的定位精度。罗兰—C系统本身就使用原子钟，只要将罗兰—C主台的铯钟与天文台的原子钟同步在协调世界时上，各副台再与主台同步，即可用罗兰—C系统授时。因为这一系统不需要增加什么设备就能授时，所以这种授时办法比较经济。目前，罗兰—C系统能对协调世界时UTC保持±15微秒的时间同步。
利用广播系统进行时间传递，即经济又实惠，用户相当广泛。广播电台每逢整点时，都以特定的音响来报告时间，正像本书开头所描述的那样。这实际上也是一种高频授时。解调以后的信号用声音发出，我们听到以后，用手拨动表针对时。由于这种对时没有用特制的仪器，只靠听觉和手的动作，所以精度较低，只能精确到0.1秒。但这对我们的日常生活和工作来说是足够的了，因此，这种对时仍起着重要的作用。
电视报时
随着电视的普及和电视技术的发展，人们开始利用电视系统授时。1962年，捷克境内沿电视微波传输线传播时间信号，回路长800千米，秒脉冲的时间变化不超过1微秒。电视同步方法向样经济实惠，不用另建一套发射、接收系统就能对时。对时精度也比较高，在视线范围内约为50毫微秒，在视线范围外约为0.5微秒。当然，由于电视微波传输线的线路不同，各种因素对传播时间的延误不同，均需通过实验来校正。
人造卫星报时
现在可以成功地发射人造地球卫星了，使卫星按着地球自转的速度运行，这就是“同步卫星”。同步卫星正在帮助人们做越来越多的工作：在全球范围内传送广播、电视、电话、电报，进行无线电传真、数字通讯……我们坐在家里就能听到或看到世界各地所发生的重要事情。利用卫星也可以实现时间同步。第一次卫星对时实验是在1962年8月进行的，通过卫星，把美国华盛顿的原子钟与英国格林威治天文台的原子钟校准到1微秒左右。利用卫星还可以实现全球时间同步，只要等距离地发射3个同步卫星，就可以覆盖整个地球表面了。在地面上设置必要的接收设备——“卫星地面站”，就可以实现全球的时间同步。
为了得到人们所需要的准确时间，要经过复杂的测时、守时、授时等步骤。世界各国对这一工作都很重视，在国际上设有专门的机构——国际时间局，在各国也都有天文台和各级计量局来从事这一工作。
时间到底是什么
时间在直观上是明显的，但在逻辑上很难确定。它犹如奔腾的江河，川流不息，一往无前，但又像相对论所描述的那样玄妙不可思议。
时间的这种奇怪特性驱使古往今来的许多人对它作出了种种推断和猜测，在差不多每一个时代，哲学家和自然科学家都曾反复思考过它谜一般的性质。宗教信仰和科学态度坚定的两种人，都曾力图解释时间究竟是什么，以及它走向何方。
人们思索的重点集中在这样3个基本问题上：时间的本质是什么，时间的箭头指向何方，它有无开头和终结？
在这些问题中，有的已经为人们所了解，有的至今还没有令人满意的答案。也许根本不存在这样的答案。但是，这类问题的提出，以及对于它们的答案的探求，却不是没有意义的，它可以使我们有机会更多地揭示时间和人类所生存的宇宙的特点。
时间不会倒流的证明
我们都熟悉“光阴似箭”、“时不待我”这样的语句。它似乎意味着时间以一定的速度在流驰。我们也常有这样感受，一天“匆匆地过去了”。然而细究起来，这种概念又没有什么实际意义，因为时间究竟怎样流动，它流动的速度有多快，是多少分之一秒吗？
运动和行进要求有某种固定的时间框架来测量它们的进程。对于通过空间的运动来说，我们以时间作框架，但是，说到通过时间的运动，我们该用什么作框架呢？
我们仅知道，自然界中宏观运动过程（大尺度范围内的运动过程）都是单向的，人们不可能在电视台未发播节目之前收看到它的图像。
在日常生活中，我们看到的大多数过程也是单向的，人由少及老，房屋从新到旧。山岳被分化侵蚀，恒星慢慢耗散能源，宇宙不断膨胀……我们从未见过相反的过程，譬如说，房屋自动聚拢，河水倒上山。
这些事实表明，不论在地球上还是在空间规模上，宇宙中都存在着一个时间方向：它单向向前，永不倒流。
但是在古代，人们曾经幻想过时间倒流。他们祈望有一种灵丹妙药，人吃了以后可以长生不老，甚至返老还童。这在我国古代神话传说中是屡见不鲜的。外国文学作品中也有类似描述。
然而常识告诉我们，时间不会倒转！要时间倒转如同让时间停滞不动一样，都是幻想。
水壶里的水沸腾了，这只能是在我们把它放到火炉上加热之后，决不会是在此之前。苹果成熟只能在果树开花之后。人都将随时间推移而变老，越活越年轻的事是没有的。这些都是老幼皆知的常识。
但是，常识往往并非全是真理。你怎样证明这种常识是可靠的呢？
证据是有的，热量转换就是一例。
如果我们把一块冰放到一杯水里，冰块将吸收水和杯子的热量而溶解，水和杯子由于给出了它们的一部分热量而变冷。假如我们把这一过程拍成电影，并按相反方向重新放出，我们将会看到，当一部分水变热时，另二部分水就结成冰。这意味着，热量只能从较热的物体向较冷物体流动，不会倒转过来。
大约在1个多世纪以前，物理学家克劳修斯就把这类现象总结成为热力学第二定律。它说明能量特别是热能的流动总是沿着一个方向进行的。能量可以被储存起来，但它有耗散趋势。热力学第二定律处理的是物理学中最基本的概念之一熵。虽然克劳修斯本人没有把熵的原理应用于时间，但后来的许多物理学家这样做了。他们发现，热能流动和时间流动是同时发生的，从而证明了时间箭头的单向性。
然而，时间为什么只能单向流动？
有些物理学家认为，时间的单向性是破坏次序的一种趋势，宇宙每天都在稍稍变得更加无序。
上一个世纪末，奥地利物理学家玻尔兹曼用简单的实验研究了无序性演变过程。该实验只需要3只大口瓶子，40张有数字的纸牌和40个标有数码的小球。
实验开始时，所有纸牌都放在第一只瓶子里，所有小球都放在第二只瓶子里，第三只瓶子是空的。随意从第一只瓶子里抽出一张纸牌，并把与它数字相同的小球从第二只瓶子转移到第三只瓶子里，然后把纸牌放回第一只瓶子。重复做下去。每一次，要么是小球从第二只瓶子转移到第三只瓶子里，要么是反过来，小球由第三只瓶子转移到第二只瓶子里。大概经过25次以后，两个瓶子里的小球数就近于相等。玻尔兹曼指出，只要抽出纸牌是随机的，有序必然会让位于无序。他由此认为他解开了时间单向性之谜。
但是我们知道，所谓有序—无序趋势并不是一条严格的定律，它只是一个概率和统计学问题。问题的要害不在于有序无序过程本身，而在于一开始是怎样达到有序状态的。为什么宇宙的趋势是从有序变为无序，而物质和能量却有很高的有序性？
玻尔兹曼对此作了多少有点俏皮地回答。他说，之所以有现在这种有序排列，是因为宇宙中发生过一次罕见的巨大波动，使它摆脱了极有可能的混乱状态——这纯粹是一种运气！
玻尔兹曼把自己的结论归功于“机遇”，这就等于宣布他并没有解开时间单向性之谜。
时间在宏观上的单向流动（亦称不可逆性）是人类已经观察到的事实。如何解释这种现象，到目前为止还没有结论。人们可以而且应该利用扩大了的视界和最新科学成果继续研究它，这是合理的。但近几十年来，有些人又从广义相对论时空弯曲这一特定条件下的物理现象出发，引出时间可以循环的结论来。这无异于说时间能够倒流！他们认为，时空弯曲理论蕴育着一种新的可能性，时间这条线将会闭合成圆或其他某种更为复杂的曲线。这样，时间便能沿这条闭合曲线流动，今天可以流向明天，也可以倒回到昨天。他们说，只要宇宙的形状受到某种约束，譬如说不断地给自己“旋紧发条”，它就有可能回复过去的状态，一切单向过程就能逆转，时间也就可以倒流。
那么宇宙将以什么方式不断给自己“旋紧发条”呢？只有靠上帝和神灵1这样一来，时间循环论者就又回到中世纪神创论哲学观点上去了。
时间与运动的亚里士多德悖论
世界上第一个试图从物理学角度确定时间和运动关系的人，大概是古希腊的思想家亚里士多德。
亚里士多德生活在公元前4世纪，相当于我国的战国时代。他写过一本名叫《形而上学》的书。在这本书中，他宣布：“只有当我们已经把握住运动时，我们才能领悟到时间。”但是他又加了一句：“我们不仅用时间来测量运动，也用运动来测量时间，因为它们是相互定义的。”
如果说，亚里士多德接近正确地描述了时间和运动的部分关系的话，那么在解释运动的性质和成因时，他的看法就成为悖论了。
亚里士多德从自然界中表面“事实”出发，认为任何运动物体都具有趋向静止的自然趋势。一块抛起的石头会很快由滚动而变为静止，马不拉车，车就停下不动。亚里士多德由此引出了自己的理论：运动速度直接正比于产生运动的力。一架由两匹马拉的车，“自然”要比由一匹马拉的车快两倍。一块10千克重的石头落下时的速度，“自然”要比5千克重的石头落下时的速度快两倍。
这就是亚里士多德关于运动性质的描述。
然而，运动是怎样产生的？亚里士多德认为，自然界中没有任何东西能自己运动，一个物体的运动必须有另一物体来推动它。他说：“假使一个运动由于另一个物体所推动，后者的运动势必还由其他一个运动所推动。如果无限地推论下去，是不可能得出结果的。每一个运动的最初运动必须归因于一个在天上运动的神灵之体。”
这样，亚里士多德就第一个把神灵作为不由他物所推动的第一推动者而引进了物理学，从而也把神灵的作用赋予了时间，因为时间和运动“是相互定义的”。
在中世纪宗教神学崩溃以后，亚里士多德关于运动、时间以及其他许多问题的错误观点，仍然统治科学界达几百年之久。
大约到13世纪以后，科学家才比较准确地定义了什么是速度。他们说，一个物体的运动指它在空间中位置的简单变化，速度就是在给定的时间里，物体位置变化了多少。直到今天，我们仍然沿用这种方式来表示速度，即每秒多少米或每小时多少千米。
但是，真正打破亚里士多德悖论的还是伽利略。
我们在本书中不止一次地提到伽利略。他是一位伟大的天文学家，第二个发明了望远镜，扩大了人们的视界，同时他也是一位著名的物理学家。有关他的坎坷一生的记载已被拍成电影搬上银幕，同千百万观众见面。
伽利略尖锐地指出：“物体愈重，下落愈快”这一论断在逻辑上是矛盾的。如果一个重物和一个轻物同时下落，时间分别为t1和t2，而把这两个物体捆在一起，它们下落的时间该是多少？按照亚里士多德的看法，将会有两种答案：
（1）重物带动轻物落得快，轻物影响重物落得慢，因而t1＜t＜t2。
（2）两物体捆在一起，必重于单个物体，其下落时间必然是t＜t1＜t2。
这两个结果相互矛盾。因此，伽利略认为亚里士多德的论断不能成立。
据传，伽利略当时还在比萨斜塔上作过落体实验，以证明亚里士多德理论的错误。不管这个故事是否真实（科学史家们对此一直持有异议），重要的是，这个天才的意大利人真正测定了运动物体的时间。他在不同长度的斜面上滚下金属小球，同时把漏刻滴下的水收集在杯子里，称出这些水的重量，从而测定了小球从不同斜面滚下时所经历的时间。
伽利略根据这些实验进一步指出，单有速度——位置随时间的变化——不足以定义运动，还必须考虑速度随时间的变化，这就是加速度。
在这里，伽利略只是提出了问题，但没有做出理论上的发现。加速度概念的建立是后来由牛顿完成的。
牛顿的“绝对时间”观念
牛顿比伽利略又前进了一步。牛顿认为，同亚里士多德的“理论”恰恰相反，如果没有什么别的东西阻止，运动着的物体决不会静止。下落的石头所以会落到地面不动，是因为受到地球的阻止。马车所以停下不走，是由于车轮同路面之间有摩擦力。在一条光滑水平的路面上，具有无摩擦轴承的马车，将会一直滚动下去。因此，牛顿指出，力对于物体的作用，只是使它的运动速度随时间发生变化。这个变化的量称为加速度，它正比于作用力的大小。这就是牛顿运动学第二定律。用熟知的公式表示就是：
F=ma这里F为作用力，m和a分别为受力物体的质量和加速度。
牛顿的运动定律，连同他在1684年导出的万有引力定律，奠定了经典物理学的基础，对当时和后来的自然科学的发展都有很大影响，直到今天仍被广泛应用，继续发挥着巨大作用。
但是，应该看到，牛顿定律是以这样的概念为基础的：用以测量运动的时间是一种均匀流逝的“绝对时间”。
什么叫绝对时间？牛顿在其1687年发表的《自然哲学的数学原理》一书中给出了如下定义：
“绝对的、真实的数学时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀流动的，它不依赖于任何外界事物。”
牛顿的这种观点歪曲了时间与运动的关系，在他自己的理论系统内也是自相矛盾的。因为他已经承认运动不是绝对的。既然如此，你怎么测量或觉察出绝对时间呢？
牛顿争辩说他能够做到这一点。他说他能借助于其他形式的运动来证明绝对时间的存在，这就是旋转运动。他认为，旋转运动是绝对的。牛顿当初举了这样一个例子：如果把一只水桶吊在卷曲的绳索上，使它向绳索解开的方向旋转，水面会沿水桶边缘上升，并形成凹形。旋转越快，水面上升越高。这就是有名的“水桶实验”。牛顿说，水面的这种升高就是一种绝对运动，它在原理上就证明了绝对时间的存在，并为测量绝对时间提供了方法。
牛顿的辩解显然是站不住脚的。因为水桶是在空间中旋转的，它必然是相对于宇宙中某个其他物体而言的，因而也就不是绝对的。但是牛顿又说，“如果在真空中旋转。它仍将给出同样结果。”然而牛顿在生前没有、后来的物理学家也没有拿出任何实验证据，证明水桶在宇宙中的旋转是绝对的。事实上，这种证据是永远也找不到的！
尽管如此，牛顿仍然坚持自己的观点。他认为，从原则上讲，应该有一种理想的时间尺度——绝对时间，它能够独立存在而与任何特定事件和过程无关。
牛顿的这种观点遭到了与他同时代的数学家莱布尼兹的反对。莱布尼兹认为，同时间相比，事件要更为基本，那种认为没有事件时间也会存在的观点是荒谬的。在他看来，时间是从事件引出来的，所有同时性事件构成了宇宙的一个阶段，而这些阶段就像昨天、今天和明天一样一个紧接着一个。莱布尼兹的这种相对时间的理论，在今天看来似乎比牛顿理论更能为人接受，因为它更符合现代物理学的发展。
但是，牛顿的观点在18世纪和19世纪仍然居于统治地位。因为它得到教会的支持。牛顿本人在给教会的一封信中就这样说过：“用这些原理也许能使深思熟虑的人们相信上帝的存在。”因此，牛顿的绝对时间理论在当时被讴歌成整个宇宙的绝对真理。直至本世纪初，人们还普遍认为存在着一个独一无二的、普遍适用的、不依赖于任何其他事物的时间体系。正因为这样，当爱因斯坦在1905年发现了时间理论中一个从未有人怀疑过的漏洞，从而推翻了这些假说以及基于这些假说的整个时间哲学时，物理学经受了一场地震。
这个漏洞就是狭义相对论揭示的时间的相对性理论。
时间的相对性
还在学生时代，爱因斯坦就在思考这样一个令人困惑的问题：假如他以光的速度穿过以太旅行，他将看到一些什么呢？按照运动的相对性原理，这时光束应该相当于静止空间中振荡的电磁场，但这种观点同麦克斯韦理论不符。于是爱因斯坦开始猜想，力学定律以及包括光的传播在内的其他物理学定律，对于以不同速度运动的观测者必然具有相同的形式。他认为，相对性原理不仅能应用于力学现象，而且同样也能应用于光学和电磁学现象。光速不但对于相对静止的观测者是相同的，对于那些处于相对匀速运动中的观测者也是相同的。迈克耳逊—莫雷实验的零结果是“正确的”，因为：第一，不存在以太。第二，光速不变。
爱因斯坦接着便以这两条结论为前提，推广了伽利略的相对性原理，建立了自己的、更加普遍的新理论——狭义相对论。所谓“狭义”，指它仅限于匀速运动的场合。
狭义相对论指出，不管是力学现象，还是光学和电磁学现象，它们所遵循的规律都与惯性系的运动状态无关。
这样，爱因斯坦就完满地解决了麦克斯韦的电磁波理论和建立在牛顿力学定律基础上的物理学其他部分之间的矛盾，从而开创了物理学的一个新时代。
狭义相对论发表于1905年，论文的题目叫“论动体的电动力学”。从这篇文章我们看到，爱因斯坦是通过分析时间概念来解决问题的，也是在“同时性的相对性”这个问题上取得突破的。他醒悟到时间的可疑，认为时间不能绝对定义，并且指出，对于肘间的测量决定于人们对“同时性”的认识。也就是说，对时间间隔的测量必然涉及对同时性的判断，即一个事件和另一个事件在时间上的吻合。他在“论动体的电动力学”一文中对这一点有一段精彩的表述：
“如果我们要描述一个质点的运动，我们就以时间的函数来给出它的坐标值。现在我们必须记住，这样的数学描述，只有在我们十分清楚地懂得‘时间’在这里指的是什么之后才有物理意义。我们应当考虑到：凡是时间在里面起作用的我们的一切判断，总是关于同时的事件的判断。比如我说，‘那列火车7点钟到达这里’，这大概是说：‘我的表的短针指到7同火车的到达是同时的事件。’”
可能有人认为，用“我的表的短针的位置”来代替“时间”，也许就有可能克服由于定义“时间”而带来的一切困难。事实上，如果问题只是在于为这只表所在的地点来定义一种时间，那么这样一种定义就已经足够了。但是，如果问题是要把发生在不同地点的一系列事件在时间上联系起来，或者说——其结果依然一样——要定出那些在远离这只表的地点所发生的事件的时间，那么这样的定义就不够了。
爱因斯坦认识到，时间与信号速度之间有不可分的联系，不同距离处的两事件的同时性，与事件的相对位置以及观测者借以感知它们的联系方式有关。如果事件的距离和把它与观测者联系起来的信号的速度是已知的，观测者便可计算出该事件发生的时间，并把它和自己先前经历过的某一时刻对应起来。这种计算对于不同的观测者是不同的。但是，在爱因斯坦提出这个问题以前，人们却一直信守这样一个原则：事件被感知的时间只取决于它发生的时间，它对于所有的观测者都是一样的。爱因斯坦指出，上述原则基于这样一个前提，即如果所有观测者的计算都正确无误，他们对于同一给定事件应该得到相同的时间。然而，爱因斯坦令人信服地证明，这一前提一般并不成立。他发现，处于匀速相对运动中的不同观测者，对于同一事件一般总会测出不同的时间。如果两只时钟相互之间处于匀速相对运动之中，则它们将保持不同的时间，你无法说哪个钟是“准”的。运动的时钟总比相对静止的时钟要变慢。对于我们日常遇到的运动速度，这一效应可以忽略，但当时钟运动的速度愈接近光速，时钟变慢的效应就愈益显著。
为了进一步说明这个问题，让我们来做一个“思想实验”。这是不必在实验室进行，而只是通过头脑去想象的“实验”，它也是科学实验的一种形式，并且颇得物理学家们的宠爱。事实上，就连中学生在做物理课习题时也常常用到它。
这个实验是这样的：
假定在首都机场的卫星楼里有两只质量相同的时钟A和B，经过校准同步后，让A钟留在卫星楼里，而把B钟装上飞机。当飞机由北京飞经上海再返回首都机场时，把钟B和钟A相比较，这时它们的指针所指示的时间会相同吗？
有些读者可能会脱口而出：相同。但事实并非如此。如果这两个时钟足够精密的话，我们将会发现钟B要比钟A慢一些。
这就是爱因斯坦相对论所预言的“时钟矛盾”。这里所说的矛盾，不是逻辑意义上的矛盾，而是指与常识相反的考虑方法，即所谓“佯谬”。
按照狭义相对论，两只同步了的时钟，其中一只以速度V沿十条闭合曲线运动，经历一秒后回到原处，那么它比那只始终未动的钟要慢12（V/c）的2次方，此处c为光速。由此可以推出：对于同一经历过程，飞机上钟B测定的时间间隔为τ，卫星楼里不动的钟4测得的为t，于是因为任何物体（这里是飞机）的运动速度不会超过光速，1—（V/c）的2次方的值始终小于1，所以相对于A钟来说，钟B变慢了。钟A走过1秒时，钟B只经过1—（v/C）的2次方秒。
通常情况下，V/c值远远小于1，1—（v/C）的2次方近似等于1，时钟变慢的程度微乎其微。但是，如果我们能够发射一个宇宙飞船，使它相对于地球以光速的0.98倍的速度飞行，在地面上的人看来，飞船内时钟走速将只有地面上时钟走速的1/5。在这种情况下，假如我们让25岁和28岁的亲兄弟中的哥哥乘飞船作5年飞行，那么当他回到地面上时，弟弟将会发现他比哥哥大了1岁。因为这5年是指地面上的5年，弟弟的年龄已经30岁了。可是在这段时间里，飞船内的时钟只走过1年，哥哥只长了1岁，只有29岁。有些物理书上又把这种现象称为“双生儿佯谬”。
相对论预言的这种奇妙现象，长期以来一直是物理学家热烈讨论的话题。可是，一直到原子钟问世之后，才有可能对它作出肯定性的实验验证。
1971年，美国海军天文台把4台铯原子钟装上飞机从华盛顿出发，分别向东和向西作环球飞行。结果发现，向东飞行的铯钟与停放在该天文台的铯钟之间读数相差刃毫微秒。向西飞行时，这一差值为273微秒。虽然在这次试验中没有扣除地球引力所造成的影响，但测量结果表明，“双生儿佯谬”是确实存在的。
赤道上的时钟走得慢
爱因斯坦是一位伟大的物理学家，他的许多预言陆续得到了实验证实。但是，是不是他的每一个预言都正确呢？回答是否定的。
爱因斯坦在他的相对论第一篇论文《论动体的电动力学》中推断：在赤道上的时钟与放在地球两极的质量完全相同的时钟相比，在别的条件都相同的情况下，要走得慢一些。换句话说，在地球表面不同纬度处时钟走速是不同的。在赤道上，地球自转速度v=0.46米/秒，V的2次方/c的2次方≈1.8×10的—12次方。而在两极，v=0。在一天当中，赤道钟将比两极钟大约慢102毫微秒。
显然，爱因斯坦在这里只考虑到时间的速度方面，而没有把引力效应同时考虑进去。我们知道，虽然在不同纬度处地球表面的线速度不相同，愈远离赤道时线速度愈小，两极处为零，但地球是椭球体，两极比赤道更接近地心，因而两极处的引力势比赤道处的大。这两种因素对于钟速的影响相互抵消，综合效果恰好为零。
为了验证这一结论，艾利等人又在1977年6月利用C—144型远程运输机，在华盛顿（纬度为北纬38°49′）与格陵兰的一个空军基地（纬度为北纬76°32′）之间进行了飞行钟试验。测得飞行钟与地面钟相差38毫微秒，这与理论计算值（35毫微秒）相符合，从而证明钟速与纬度无关。这说明爱因斯坦当时的推断是错误的，赤道上的时钟不会比两极处的时钟走得慢。
有人还曾提出，在一年中的某一时刻，例如夏至，由于地球自转轴的倾斜，北极比南极更靠近太阳。这样，在太阳引力势内应用相对论原理，北半球的时钟是否会比南半球的快一些呢？
数学证明是否定的。为了验证数学证明的正确性，C—144飞机又于1977年7月在华盛顿和新西兰的克里斯特奇之间进行了两次飞行，实测结果同样表明钟速与它所在处的纬度无关。
由此可见，任何一个伟大的科学家，在他们创立新科学理论的时候，不可避免地会受到当时技术条件的限制。后来的探索者有责任根据自己的实践对这些理论加以检验，或扬弃、或继承、或修正，切不可迷信。
逐渐减慢的引力时钟
自然界中有4种基本力在起作用。它们是：引力、电磁力、核力和在原子衰变时出现的弱作用力。
引力是牛顿发现的，但打开引力秘密大门的却是爱因斯坦。爱因斯坦在广义相对论中指出：在宇宙中充满着引力波，它是在物体周围产生的空间弯曲取波动形式以光速传播的一种现象。这是一个颇为深奥的问题，自提出以来虽然过去了半个多世纪，但仍然吸引着许多物理学家的兴趣。1938年，英国物理学家狄拉克，以及美国物理学家迪克在对爱因斯坦的引力理论作了若干修改以后，先后提出了引力减弱的假说。根据这个假说，引力常数G正在缓慢减小，相对于电常数，大约每年减小1×10的—11次方。
引力真的在减弱吗？
这又是一个需要实验才能回答的问题。原子钟出现以后，有人提出用原子钟和“引力时钟”对比，可以直接测定引力的这种减小。
原子钟利用原子内电子震动来代替一般时钟的摆。决定电子振动周期大小的作用力是该原子内电子与原子核之间的电磁力。电磁力是恒定的，因此原子钟的速率不会变化。
所谓引力时钟就是人造卫星。引力时钟的速率可以根据人造卫星绕地球一圈的周期计算出来。当引力减弱时，这个周期就会增大，这就表明引力时钟的速率变慢了。如果引力真的随时间的增加而逐渐减弱的话，引力时钟也将随之逐渐减慢。将原子钟和引力时钟的速率在几年当中进行持续对比，原则上就可以验证引力减弱的假说是否正确。
当然，这还只是一种设想。随着原子钟质量的不断提高，以及对于人造卫星运动规律的深入了解，我们相信作出这类验证的日子不久就会到来。
时间有无开头和终结
时间的开头和终结是什么意思？宇宙是无限的还是有限的？你所说的宇宙又指什么？这些问题解决了，第三个问题的答案也就清楚了。
时间是物质运动和变化的一种形式。问时间有无开头和终结，相当于问物质的运动和变化有无开头和终结。事实上，许多世纪以来，这个问题一直强烈地吸引着人们，从奥古斯汀到康德，他们都曾有过论述。到了近代，随着数学、物理学和天文学的发展，这些问题又被某些自然科学家赋予了新的可说是稀奇古怪的形式。为方便起见，让我们先从“时间的终结”谈起。
在很久以前，自信解开了时间单向性之谜的玻尔兹曼又从热力学原理出发，把宇宙的终结（因而也就是时间的终结）设想成为整个宇宙达到最大熵的阶段。他推想，在将来某个不确定的时候，宇宙间将没有什么东西会比另外一些东西更冷或者更热，最慢的放射性元素都将衰变为稳定元素，恒星会辐射完它们的能量。使严寒的星际空间一部分一部分地变暖起来。地球及其姐妹星——月球的旋转会由于宇宙尘埃的摩擦而减慢，最终将脱离其轨道而掉向太阳，人类本身也便随之毁灭。在“烧尽”了的宇宙之中便不再有赖以观测和测量时间的物质运动。在这个时候，时间将达到终结，这就是所谓的“热寂说”。
那么，“这个时候”究竟在什么时候到来呢？
玻尔兹曼本人没有给出具体期限。后来，支持他的学术观点的物理学家计算了铅的衰变周期，得到“时间终结”到来的大概日期是：1.4×120年。他们说。铅204的半衰期是1.4×10的17次方年，如果这个数字是正确的，假定它又是经过1000次这样衰变后成为稳定元素，那么就有1.4×10的17次方×1000=1.4×10的20次方年。
这是以铅在衰变中不转变为其他物质为前提推出的结论。这当然是一种非同寻常的主张。非同寻常的主张必须要有非同寻常的证据，否则难以令人置信。可惜，这些物理学家拿不出任何证据能证明铅不会转变成其他物质。因此，如其说这种计算是科学，倒不如说是一种想入非非。
到了20世纪，由于天文观测技术的进步，高能天体物理学蓬勃发展，人们对于“宇宙中的神秘岛”——黑洞有了较多的了解。于是，有些宇宙学家便由黑洞的研究成果，重新提出时间终结问题。他们说，时间的终结在于黑洞之中！
现在说到黑洞，也许大家不再觉得它新鲜了。这不是说它的问题已经完全解决，恰恰相反，关于黑洞的问题愈来愈多，旧的固然未能完全解决，新的问题亦有待科学家深入研究。总的来说，黑洞的研究目前仍处于开始阶段。
黑洞在宇宙中，就好像地球上传闻已久的百慕大三角地带，在一般人的心目中是神秘、可怕的。从一些简短报导中，我们知道它是宇宙中体积很小的特殊天体，是由一些质量很大的天体演化而成的。它拥有一个封闭的视界（或称疆界），不停地吞噬它周围的物质，就连光辐射也难幸免，但视界以内的任何物质却跑不到外面去。科学家们推测说，一个巨大星球枯竭、坍缩时，表面重力增加，周围时空剧烈畸变，最后沦为一点，即所谓“宇宙奇点”——黑洞。时间同其他物质一样，也有一个奇点，达到这个奇点便告终结。这个奇点不是别的，正是黑洞。黑洞代表着时间的终结或时间的疆界。越过这条疆界，我们这个宇宙的时间概念便不能应用。
如果时间有终结，那么人们自然要问它有起点吗？起点又在哪里？
科学家们的简单回答是：有，这就是宇宙大爆炸。
这些科学家认为，我们的宇宙目前处于膨胀阶段。膨胀达到极大值以后，它会发生爆炸，并在宇宙奇点上陷于毁灭，剩下来的仅是一些看不见的黑洞。将剧情倒序，时间的开端就是一场巨大的爆炸——宇宙大爆炸。他们说，大爆炸并不是一次在空洞中发生的爆破，而是时间、空间和所有物质都赖以存身的一种真正的“开天辟地”，也就是时间的源流。
大爆炸已被推断为宇宙扩张的初始动力。不少科学家喜欢这一理论，认为它较好地解释了关于宇宙中物质变化和结构的许多已知事实。
但是，这里存在着一个所谓孩提式的问题。
有个小孩天真地问一位神父：“你说是上帝创造了世界，那么谁创造了上帝呢？”
今天，同样有许多科学家，他们并非天真而是严肃地问：“谁创造了大爆炸？大爆炸之前又是什么样子？”
对于这些问题的回答，或许可以为我们提供一幅更加壮丽的宇宙演化图像。
时间的最初三分钟
继续追溯下去，在宇宙诞生的最初几分钟里是怎样的景象？
这是天文学家和物理学家们多年来热烈争论的问题。诺贝尔奖金获得者史蒂文·温伯格为此写过厚厚的一本书——《最初三分钟》，详细描述了大爆炸之后仅仅180秒之内的有趣景象。
拿1秒和宇宙150亿年历史相比，犹如拿一只蚊子同银河系的直径去比大小！
1秒，稍纵即逝。科学家如何能够重现150亿年前那一短暂时刻所发生的种种现象呢？他们所依据的仍旧是“现在”。
现在是通晓过去的钥匙。可以预言未来的定律同样也应该能够重现过去。
科学家们凭借现代有关宇宙物质的物理定律，不仅揭示了宇宙生命还不到1秒时所发生的一切，而且令人惊讶的是，他们竟能追溯上百亿年，再现宇宙形成之初10的—43次方秒时的种种现象！
在大爆炸1秒时，宇宙中的质子和中子结合成原子。先是2个质子和2个中子结合成氦原子核，以后进而合成像锂那样稍重一些的元素的原子核。这个时期很短，温度迅速下降，来不及合成较重的元素。
时间稍微后推，在不到1秒时，宇宙温度高达100亿度，光辐射能量极大，称为宇宙的辐射时代。
在宇宙时为10的—2次方秒（1/100）时，参与相互作用的主要粒子不是光子，而是电子、U粒子和中微子。这些粒子都是轻子，所以这个时期叫轻子时代。
在轻子时代，宇宙中占统治地位的力是弱相互作用，大量电子和正电子相遇而湮没，变成光子。
再向后推，在10的—6次方秒即百万分之一秒时，宇宙温度为10万亿度，一些质量比电子大的粒子很活跃，宇宙中有大量的质子和中子，还有丌粒子。它们之间的作用是强相互作用，所以叫强子。这个时代也就叫强子时代。
在强子时代，物质的密度很高，处于超密态。超密态物质随温度下降发生相变，放出大量热量。整个宇宙宛如一个小小的燃烧着的火球。
时间越往后推，宇宙越热。在宇宙时为10的—36次方秒时，温度高达开氏10的28次方度。这时候正粒子和反粒子相互湮没而形成光子。
在10的—43次方秒，宇宙温度为开氏10的32次方度，现在所知道的轻子以及组成强子的夸克大概就是在这时创生的。
在10的—43次方秒之后，宇宙的温度更高，强烈的辐射会破坏原子，使原子核衰变。在这样的条件下，我们现在所知的物质是无法存在的，基本粒子本身也会破裂为更基本的组成部分。
再往后去，例如宇宙时为10的—44次方秒的情况，我们就一点也不知道了。
以上是科学家对宇宙大爆炸的最初瞬间直至目前所发生的种种现象的解释。他们依据的是热力学原理（即宇宙的半径每增加一倍，它的绝对温度便降低到原来的1/2），并通过监测形成宇宙时抛出的微波辐射。他们描绘的这幅图画，看来向我们揭示了一条不可抗拒的人类的进化历程。
宇宙大爆炸产生了形成星系的气体，星系中的恒星散布出富含各种元素的碎片，然后形成行星，接着就开始了我们人类的进化史。
大爆炸之前是什么样子？说实在的，科学家们目前还回答不了这个问题。
当然，有关的猜测很多，而且众说纷纭，莫衷一是。
其中有一种诱人的说法认为，目前宇宙正在向外扩张，但后退星系的相互作用将使扩张的速度减慢，有可能在最后某一天使它停止，然后便开始一个相反的过程——收缩。收缩伸延下去，又会使宇宙缩聚为一点，出现另一次大爆炸，一切又重新开始。
这意味着，开始了我们这个宇宙的爆炸，是前一次爆炸后的爆炸，我们这个宇宙的结束也将是另一个宇宙的开始。宇宙，看来就像寓言故事中的长生岛一样，它周期性地在燃烧中毁灭，又同时在自己的废墟中诞生。因此，时间的终结也是开始，宇宙本身就是一具最基本的时钟，它嘀嘀嗒嗒地记录着自己扩张和收缩的壮丽周期。
宇宙的这种周期究竟有多长？这又是一个难以想象和难以计算的问题。
